Chemie-Arbeitsblatt _ _ Klasse _ _ _ Name ______________________________________________________________Datum _ _ ._ _._ _

 

Arbeitsaufträge zur Leitfähigkeitstitration

 
Stillarbeitsphase zur Vorbereitung: (auch im Team kann still gearbeitet werden!)
1. Formuliere zu allen vier Versuchen die entsprechenden Reaktionsgleichungen!
Spezifische Ionenleitfähigkeit
bei 25 °C

Kationen * 10-3 [S*m2/mol]

Anionen * 10-3[S*m2/mol]

H3O+ : 35,0

OH G: 19,9

Li+ : 3,87

F G: 5,54

Na+ : 5,01

Cl G: 7,64

K+ : 7,35

NO3 G: 7,15

Ca2+ : 11,9

MnO4 G: 6,28

Ag+ : 6,19

SO42 G: 16,0

Cu2+ : 10,7

CH3COO G: 4,09

Fe3+ : 20,5

2. Nach dem bisher bekannten Säure-Base-Titrationsverfahren muss n(Säure) = n(Base) sein. Die Molzahl n ist das Produkt aus Konzentration c [mol/l] und Volumen V [l]. Berechne - soweit aus den angegebenen Versuchsdaten ersichtlich - die Äquivalenzpunkte bzw. die fehlenden Daten auf der Basis der Beziehung n(Säure) = n(Base)!
3. Überlege für alle vier Titrationen den hypothetischen Kurvenverlauf aufgrund der Daten zur spezifischen Ionenleitfähigkeit! Dabei musst Du besonders die Reaktionsgleichung genau anschauen: wer fängt in der Reaktion an, ist also vorhanden, wer geht in die Reaktion ein, wer geht aus der Reaktion heraus?
4. Bearbeite schriftlich die Fragen aus dem Text „Theorie der Leitfähigkeit"! (3 Fragen)
5. Bearbeite die Arbeitsaufträge im Arbeitsblatt „Leitfähigkeitstitration" (5 Arbeitsaufträge)!
6. Skizziere den besonderen Leitfähigkeitsmechanismus der H3O+- und OHG-Ionen über die Wasserstoff-brückenbindungen, in dem du in einem Verbund von mindestens 10 Wassermolekülen die einzelnen Phasen des Bindungswechsels („Umklappen") in einer „Filmsequenz" darstellst.
7. Für „Flash"-, Macromedia-Dreamweaver"-Fans oder sonstige Gif-Animations-Freaks: Stelle den Arbeitsauftrag 6 in einer elektronischen Animation her.
8. Erkundige dich im Internet über Leitfähigkeit, deren Grundlagen, ihre Anwendung und ggf. vorhandene Animationen und bringe diese in den Unterricht ein!
   
 
Lösungen

 

1. Formuliere zu allen vier Versuchen die entsprechenden Reaktionsgleichungen!  
  A: HCl(aq) + NaOH(aq) –> NaCl(aq) + H2O(l)
    Oder in Ionenform: H3O+(aq) + Cl
G(aq) + Na+(aq) + OHG(aq) –> ClG(aq) + Na+(aq) + 2 H2O(l)
  B: Ba2+(aq) + 2 OHG(aq) + 2 H3O+(aq) + SO42G(aq) –> BaSO4(s) + 4 H2O(l)
  C:  Protolyse-Reaktion: CH3COOH(aq) + H2O(l) º CH3COOG(aq) + H3O+(aq)
     Neutralisation: H3O+(aq) + Na+(aq) + OH
G(aq) –> Na+(aq) + 2 H2O(l)
  D: wie C!  
2. Nach dem bisher bekannten Säure-Base-Titrationsverfahren muss n(Säure) = n(Base) sein. Die Molzahl n ist das Produkt aus Konzentration c [mol/l] und Volumen V [l]. Berechne - soweit aus den angegebenen Versuchsdaten ersichtlich - die Äquivalenzpunkte bzw. die fehlenden Daten auf der Basis der Beziehung n(Säure) = n(Base)!
  A:  n(Säure)     = n(Base)                                   Salzsäure-Natronlauge
     c(S) * V(S)  = c(B) * V(B)                             Gegeben: V(S) = 0,1 L, c(S) = 0,01 mol/L, c(B) = 0,1 mol/L

                                                                         Gesucht: V(B)

    V(B)            = c(S) * V(S) / c(B)
                       = 0,01 mol/L * 0,1 L / 0,1 mol/L
                       = 0,01 L = 10 mL

  B:  n(Säure)     = n(Base)                                    Bariumsulfat-Schwefelsäure
    c(S) * V(S)  = c(B) * V(B)                               Gegeben: V(S) = experimentell, c(S) = 0,1 mol/L, V(B) = 0,1 L

                                                                          Gesucht: c(B) = experimentell

    c(B)                 = c(S) * V(S) / V(B)
                           = 0,1 mol/L * 0,015 L / 0,1 L
                           = 0,015 mol/L

Da die Ausgangslösung 25 mL betrug und auf 100 mL verdünnt wurde, ist die Ausgangskonzentration vier-fach so hoch, also 4* 0,015 mol/L = 0,06 mol/L.

  C:  n(Säure)     = n(Base)                                       Essigsäure - Natronlauge
    
c(S) * V(S)  = c(B) * V(B)                                 Gegeben: V(S) = 0,1 l, c(S) = 0,1 mol/l, c(B) = 1 mol/l

                                                                             Gesucht: V(B) = experimentell

     V(B)           = c(S) * V(S) / c(B)
     V(B)           = 0,1 mol/L * 0,1 L / 1 mol/L
                       = 0,01 L = 10 mL

  D:  n(Säure)    = n(Base)                                           Essigsäure - Natronlauge
   
c(S) * V(S) = c(B) * V(B)                                     Gegeben: V(S) = 0,1 L, V(B) = experimentell, c(B) = 1 mol/L

                                                                               Gesucht: c(S) = experimentell

    c(S)            = c(B) * V(B) / V(S)
    c(S)            = 1 mol/L * ..... L / 0,1 L
                      = _____________ mol/L

3. Überlege für alle vier Titrationen den hypothetischen Kurvenverlauf aufgrund der Daten zur spezifischen Ionenleitfähigkeit! Dabei musst Du besonders die Reaktionsgleichung genau anschauen: wer fängt in der Reaktion an, ist also vorhanden, wer geht in die Reaktion ein, wer geht aus der Reaktion heraus?

A: Vor der Titration liegt in der Lösung nur die Salzsäure vor, eine zu 100% dissoziierte Säure, also nur H+- und ClG-Ionen neben einer Überzahl von Wassermolekülen.  Die Gesamt-Leitfähigkeit wird also vor allem durch die spezifische Ionenleitfähigkeit der Wasserstoffionen bedingt.

Während der Titration werden die Wasserstoffionen durch die Hydroxid-Ionen abgefangen und zu Wassermolekülen neutralisiert, die Konzentration an H+-Ionen nimmt also ab, damit auch die Leitfähigkeit. Durch die Laugenzugabe nimmt die Konzentration der Na+-Ionen zu, aufgrund der sehr viel geringeren Leitfähigkeit aber kein wirklicher Ausgleich.

Am Äquivalenzpunkt existieren nur Chlorid- und Natrium-Ionen mit einer sehr viel geringeren Leitfähigkeit und Wassermoleküle. Die Gesamtleitfähigkeit befindet sich an ihrem tiefsten Punkt. Bei weiterer Zugabe von Lauge über den ÄP hinaus steigt die Leitfähigkeit ähnlich an wie sie bei der Abnahme gefallen ist, beide linear wegen der Proportionalität zwischen Leitfähigkeit und Ionenkonzentration. Die LF wird jetzt allein durch die Lauge bedingt, die Steigung ist wegen der geringeren Ionenleitfähigkeit aber niedriger. Die geringe Abnahme LF/mL Lauge wird ist also im ersten Teil durch das Zusammenspiel von H+ und Na+-Ionen bedingt, im aufsteigenden Ast durch die Ionen der Natronlauge.

siehe dazu auch die Folie: Verlauf der Leitfähigkeitstitration

  B: Im Prinzip passiert hier das Gleiche, mit einer zusätzlichen Komponente: Wasserstoffionen und Hydroxidionen reagieren zu neutralen Wassermolekülen, Barium-und Sulfat-Ionen zu schwerlöslichem Bariumsulfat, was ebenfalls aus dem Gleichgewicht verschwindet. Am ÄP befinden sich also nur Teilchen in der Lösung, die die Leitfähigkeit nicht beeinflussen, weswegen hier der Wert Null erreicht wird. Der abnehmende und der zunehmende Ast verlaufen steiler, weil im abnehmenden Ast nur H+ und Sulfat-Ionen entzogen werden, im aufsteigenden Teil aber wieder dazukommen.
  C: Die Besonderheit dieser LF-Titration liegt darin, dass die Essigsäure nur als eine gering in Ionen dissoziierte Säure vorliegt, der größte Teil der Moleküle ist undissoziiert. Werden H+-Ionen durch die Lauge abgefangen, dissoziiert die Säure nach, so lange, bis keine undissoziierten Moleküle vorhanden sind. Deswegen steigt die LF von Anfang an und erreicht am ÄP einen Wendepunkt, dann nämlich, wenn die zugefügten Hydroxid-Ionen für eine größere LF sorgen. Die Ionenkonzentration nimmt also während der gesamten Titration zu, deswegen ist die LF von Anfang > Null. Nach dem ÄP steigt die LF steiler an wegen der größeren Ionenleitfähigkeit der Hydroxid-Ionen.
  D: wie C.  
4. Bearbeite schriftlich die Fragen aus dem Text „Theorie der Leitfähigkeit"! (3 Fragen)

1. Begründe den proportionalen Zusammenhang zwischen Stromstärke und Leitfähigkeit bei konstanter Spannung.
Die Stromstärke ist der Spannung proportional, durch die Einführung einer Proportionalitätskonstanten R, genannt Widerstand, entsteht eine Gleichheitsbeziehung, das Ohm'sche Gesetz: U=I*R . Die LF ist nichts anderes als der Kehrwert des Widerstandes. Der einzige Unterschied ist, dass sich per definitionem die Stromstärke auf Elektronen in metallischen Leitern bezieht und die Leitfähigkeit auf leitende Ionen in wässrigen Lösungen.

2. Was genau ist die Definition von „spezifischer Leitfähigkeit" und warum wurde diese Definition eingeführt?
Der Beitrag der einzelnen Ionen zur Leitfähigkeit ist unterschiedlich groß und hängt ab von der Ladung, der Größe der Ionen (Ladung pro Oberfläche), der Konzentration, der Temperatur. Je größer die Ladung pro Oberfläche ist (Ionenradius!), desto größer ist auch die mitzuschleppende Hydrathülle an Wassermolekülen bzw. die Anziehung durch entgegengesetzt geladene Ionen: Ionenmobilität. Von den "gewöhnlichen" Ionen der Salze unterscheiden sich H+- und OH
G-Ionen durch einen spezifischen "Ladungsumklappmechanismus": hier wandern also nicht Teilchen durch ein Medium von Teilchen, sondern Ladungen in Form von Bindungen der Wasserstoffbrücken-bindung, also viel schneller als Teilchen.

3. Benenne die Vorgänge an den Elektroden bei Verwendung von Gleichspannung und begründe die Verwendung von hochfrequenter Wechselspannung beim praktischen Einsatz von Messzellen.
An den Elektroden kommt es grundsätzlich zu Entladungen der Ladungsträger, also zur Bildung neutraler Moleküle oder Ladungsträger geringerer Ladung. Bei Gleichspannung geschieht dieser Vorgang konstant, die Ionen bewegen sich aufgrudn der Coulomschen Anziehung auf die Elektroden zu. Bei Wechselspannung wird den Ladungsträgern wenig Zeit zur Entladung gegeben, sie bewegen sich eher "zitternd" zwischen den Polen. Je höherfrequenter die Wechselspannung, desto weniger gelingt es den Ionen, an der Elektrodenoberfläche "anzudocken" und sich entladen zu lassen. Also sinkt auch die Zahl der Ladungsträger geringer, die Messung ist damit genauer.

5. Bearbeite die Arbeitsaufträge im Arbeitsblatt „Leitfähigkeitstitration" (5 Arbeitsaufträge)!
6. http://en.wikipedia.org/wiki/File:Proton_Zundel.gif: zum sog. Grotthuss-Mechanismus:

Quelle: Wikipedia

Der Grotthuß-Mechanismus, beschrieben von Theodor Grotthuß, hat zur Folge, dass Protonen und Hydroxid-Ionen in wässrigen Lösung im elektrischen Feld vermeintlich schneller "wandern" als anderen Ionen. Somit besitzen sie eine größere Leitfähigkeit als andere Ionen.

Bei diesem Mechanismus handelt es sich um einen Kettenmechanismus: statt Protonen durch die Lösung zu transportieren, werden Bindungen und Wasserstoffbrückenbindung gelöst und neu geknüpft. Dies ermöglicht die Bindungen "umzuklappen" und die Ladung sehr schnell weiterzugeben.

     

update: 18.10.2017                                                                                                                                                                               zurück        zur Hauptseite